¿Por qué el material de los ascensores espaciales tiene que ser muy resistente?

Si la plataforma del ascensor espacial (la parte superior) está orbitando un planeta en una órbita geosincrónica, ¿no serían mínimas las fuerzas en la "cuerda" del ascensor?

Solo la parte superior está en una órbita geosincrónica. Esto no debería ser demasiado sorprendente, ya que solo hay una órbita geosincrónica para un lugar determinado: toda la "cuerda" más baja o más alta que eso necesariamente no está en una órbita geosincrónica y será arrastrada, lo que introduce/requiere tensión en el cable. Sin mencionar que la fuerza del viento por sí sola supera con creces cualquier material que podamos producir actualmente, la última vez que lo comprobé :)
@Luaan La parte superior debe estar por encima de la órbita geosincrónica (aunque al usar un contrapeso puede evitar colocarlo muy por encima) para cancelar la tensión de la parte interna del cable. En la mayoría de los esquemas de ciencia ficción, colocan una estación a la altitud geosincrónica y el cable tiene su grosor máximo allí, pero el cable debe extenderse más allá.
@dmckee Sí, esa es la imagen que yo también veo. El contrapeso es una forma económica de estabilizar todo (algunos trabajos colocan una piedra en el extremo para acortar el cable, pero en realidad no es gran cosa), y te brinda una buena manera de impulsar tus naves espaciales en su salida.

Respuestas (5)

Complementario a las otras respuestas; tiene razón en que la fuerza neta sobre la correa sería mínima, ya que la rotación del contrapeso contrarrestaría la fuerza de la gravedad. Pero los componentes individuales de esta fuerza neta no se distribuyen uniformemente.

Considere, digamos, el primer kilómetro de cuerda desde el suelo. Esto está siendo empujado hacia abajo por la gravedad y "sostenido" por el contrapeso, pero el contrapeso está muchos, muchos kilómetros más lejos, mientras que la gravedad ocurre allí mismo. Entonces, el resto de la atadura está siendo "separada" por estas dos fuerzas.

(Dicho sea de paso, el contrapeso en la parte superior de la correa estará muy por encima de lo que sería la "órbita geosíncrona" para un satélite ordinario. En cambio, el centro de gravedad de todo el sistema de correa de contrapeso estaría en la altitud de la órbita geosíncrona, o una un poco más allá.)

Corrección: el centro de gravedad de todo el sistema debe estar a una altitud geosincrónica, lo que significa que el centro de masa debe estar mucho más allá de la altitud geosincrónica. Un ascensor espacial de espesor uniforme y sin contrapeso necesitaría alcanzar aproximadamente 6 veces la altitud geosincrónica para tener el centro de gravedad en la altitud geosincrónica.
@DavidHammen ¡Buen punto! En mi cabeza, centro de masa y centro de gravedad significan lo mismo, pero no paso mucho tiempo contemplando la física de los ascensores espaciales. Editado apropiadamente.
Gran respuesta. Personalmente, no veo muy bien cómo (y dónde) podría usarse un contrapeso en este caso. Ha sido mencionado en los comentarios, pero no por OP. ¿Podría explicar más sobre eso, o tal vez hacer un dibujo de pintura barato? Entiendo que esto está en el límite de hacer una nueva pregunta ...
@Marc.2377 La manera más fácil de entender por qué se necesita el contrapeso es imaginar que se construye el ascensor desenrollándolo de la estación geoestacionaria. A medida que 'baja' el cable del in-gong, el centro de gravedad de todo se desplaza hacia adentro, lo que da como resultado una órbita más rápida, a menos que también 'suelte' una segunda masa para equilibrar las cosas. Como beneficio adicional, obtienes estabilización de marea de la orientación de la estructura. Al usar una masa pesada, el extremo saliente puede ser relativamente corto, o puede alargarlo y obtener un impulso interplanetario 'gratuito' subiendo hasta el otro extremo y soltándolo.

La fuerza sobre la cuerda se debe al peso de la cuerda. Te puedes imaginar que una cuerda de 36.000 km de largo pesa mucho.

específicamente a la pregunta: la parte superior podría estar en una órbita geosincrónica, pero la cuerda no lo está.
Y dado que para que el ascensor esté en órbita y estable con respecto a la superficie terrestre, su centro de masa debe estar en GEO, por lo tanto, es una cuerda mucho más larga.

Imagina construir una pila de tierra. Por un corto período de tiempo, puede mantenerse recto, pero eventualmente se caerá, formando una especie de pirámide. Cada material tiene una cantidad en la que puedes construir con él y no hacer que se derrumbe. Pasar a una forma piramidal ayuda un poco, pero no lo soluciona todo. Específicamente, lo que es importante es la longitud de rotura , que se puede definir como el peso máximo de una estructura vertical de igual área que se puede soportar para el material dado. Si un material puede sostener una torre vertical de 5000 km (medida al nivel del mar), es lo suficientemente fuerte como para construir un ascensor espacial.

Parece que habla de compresión , mientras que los conceptos del ascensor espacial implican una atadura cuya propiedad crítica es su resistencia a la tracción .
El comentario de @PeterA.Schneider es bastante conmovedor (evoca una aguda sensación de tristeza o arrepentimiento). ¿Puede agregar algo para ayudar a abordar cómo/por qué un argumento de compresión sobre una pila de tierra en el suelo realmente se aplica a una atadura espacial?
@uhoh no me arrepiento aquí ;-)... ver merriam-webster.com/dictionary/poignant

Un elevador espacial funciona equilibrando la gravedad con la fuerza centrífuga.

A medida que te alejas del centro de la tierra (que es tanto el centro de gravedad como el centro de rotación), la gravedad disminuye y la fuerza centrífuga aumenta.

A cada segmento de la "cuerda" se le puede asignar un "peso efectivo" que consiste en el peso menos la fuerza centrífuga (tanto el peso como la fuerza centrífuga son proporcionales a la masa). Para segmentos por debajo de la órbita geoestacionaria, el peso efectivo será positivo, para segmentos por encima de la órbita geoestacionaria, el peso efectivo será negativo.

La tensión en el cable es más alta en la órbita geoestacionaria, donde todo el cable con peso efectivo negativo tira de todo el cable con peso efectivo positivo.

Si bien el peso efectivo de la cuerda debajo de la órbita geoestacionaria será menor que su peso real, seguirá siendo una fracción sustancial de este.

Hasta cierto punto, podemos solucionar esto haciendo que la cuerda no sea uniforme, pero al igual que con un cohete necesita un ISP alto para evitar proporciones de masa ridículas, con un cable de elevador espacial necesita una relación de resistencia a peso alta para evitar proporciones de espesor ridículas.

El cable está bajo tensión, máxima en el centro, porque cada pie que subes por el cable, hay un pie más de cable colgando.

Esto puede solucionarse estrechando el cable: la sección transversal del cable aumenta a medida que se acerca al centro para soportar la cantidad cada vez mayor de cable que cuelga de él. Hay una ecuación de 'relación cónica' (leí un artículo sobre todo esto, IIRC publicado en "New Destinies" o "Analog" hace al menos diez años). Dada la fibra de carbono, las proporciones de conicidad comienzan a bajar (nuevamente, IIRC) alrededor de 4.5.

¿Por qué el material de los ascensores espaciales tiene que ser muy resistente?
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